04.10.2023. - Электроны в странном металлическом мире

Электроны в странном металлическом мире

Представьте себе стайку птиц, кружащуюся по небу: сливающуюся в массу, стекающую в ленты, которые скручиваются и вновь принимают фантастические формы. Если вы проследите за одной птицей в стае, вы сможете описать ее действия, то, как она машет крыльями или тормозит хвостом. Тем не менее, даже если бы вы могли подробно объяснить поведение каждой отдельной птицы, формы и закономерности их коллективного полета все равно ускользнули бы от понимания. Электроны не сбиваются в стаи, как птицы. Но Дебанжан Чоудхури, доцент кафедры физики, сталкивается с аналогичной проблемой, пытаясь описать, как электроны ведут себя в квантовых материалах. На протяжении десятилетий ученые изучали электроны, рассматривая обычные материалы, такие как кремний, и наблюдая по одному электрону за раз. «Несмотря на сложность электронов в кремнии, мы можем эффективно описать измеримые свойства материала, сосредоточив внимание на каждом отдельном электроне, как если бы другие не существовали», — говорит Чоудхури.

Но в последнее время учёных заинтересовали так называемые квантовые материалы, в которых триллионы электронов взаимодействуют и влияют друг на друга — поведение, которое проявляется в высокотемпературных сверхпроводниках. «Эти новые материалы демонстрируют противоречивые свойства, которые невозможно описать, рассматривая эти электроны по одному», — говорит Чоудхури. «Вместо этого нам приходится относиться к электронам в этих материалах как к одной коллективной жидкости, в которой электроны сильно переплетены друг с другом. У нас пока даже нет подходящих технических инструментов и математических машин для надежного описания их свойств». Для Чоудхури, физика-теоретика, квантовые материалы являются одновременно загадкой и путем к инновациям. «Эти материалы очень интересны», — говорит он. «Они обещают расширить наше базовое понимание квантовой механики применительно к триллионам взаимодействующих электронов. Они также потенциально могут стать движущей силой следующего поколения квантовых технологий».

Когда электрический ток протекает через обычный проводник, например медь, при комнатной температуре, микроскопические взаимодействия между проводником и текущими электронами создают сопротивление. Подобно механическому трению, это сопротивление рассеивает часть энергии электрического тока в виде тепла. Напротив, сверхпроводники переносят электрический ток без малейшей потери энергии. Когда в 1911 году была открыта сверхпроводимость, она наблюдалась только при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15°C), что было препятствием для использования потока энергии без потерь в повседневных целях. Однако в 1980-х годах ученые начали открывать материалы с гораздо более высоким температурным порогом сверхпроводимости — до -100°C. Это чрезвычайно низкая температура, но такую температуру можно поддерживать с помощью жидкого азота, что делает высокотемпературные сверхпроводники гораздо лучшими кандидатами для практического применения.

Понимание квантовых явлений, которые управляют потоком электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, может иметь невероятные технологические и даже планетарные последствия, объясняет Чоудхури. В качестве примера он приводит электростанции. Примерно 65% электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, теряется при передаче. Устраняя эти потери, высокотемпературные сверхпроводники могут значительно сократить выбросы углекислого газа при производстве электроэнергии. Однако многочисленные высокотемпературные сверхпроводники принадлежат к более широкому классу материалов, называемых странными металлами, которые по-прежнему не поддаются объяснению. Они странны в том смысле, что никогда раньше не наблюдались, и не только с точки зрения их сверхпроводимости.

До открытия странных металлов наблюдения в целом подтверждали, что рассеяние в типичном проводнике увеличивается с повышением температуры, но лишь до определенного момента. За пределами этой точки вы можете повысить температуру системы без ухудшения проводимости материала. Увеличьте температуру меди с -150°C до -10°C или даже до 39°C в жаркий летний день, и у вас все равно будет отличный проводник. Однако когда дело доходит до странных металлов, их рассеиванию нет предела. Вместо этого их проводимость продолжает ухудшаться по мере повышения температуры. «Можно подумать, что… материал, который может быть сверхпроводником при температуре около -100°C или ниже, будет очень хорошим электрическим проводником при комнатной температуре, подобно меди или серебру», — говорит Чоудхури. «Напротив, эти странные металлы в нормальных условиях являются ужасными проводниками».

Электроны в любом материале постоянно сталкиваются. Когда температура системы падает, электроны замедляются, а время между столкновениями увеличивается. Однако для странных металлов при низких температурах интервал между последовательными столкновениями необычайно короток. И на этом странности не заканчиваются, говорит Чоудхури. Интервал точно определяется температурой системы и постоянной Планка, фундаментальной константой природы. Такое поведение справедливо независимо от химического состава странного металла и независимо от пороговой температуры, при которой проявляются его сверхпроводящие способности. «Физики волнуются каждый раз, когда мы видим появление универсальности, потому что это означает, что сложные микроскопические детали, связанные с конкретным материалом, не затрагивают общие черты, присущие всем отдельным соединениям», — говорит Чоудхури. «Мы можем надеяться найти теоретическое объяснение, которое будет работать для всех этих соединений».

Чоудхури исследует происхождение этой универсальной шкалы времени в различных сверхпроводящих соединениях. «Такое время столкновений электронов говорит нам о том, что квантовая механика фундаментально важна для понимания фундаментальной физики, которая управляет тем, как электронная жидкость проводит ток в этих странных металлах», — говорит он. «Фундаментальная причина такой универсальной шкалы времени, вероятно, также ответственна за развитие высокотемпературной сверхпроводимости». Чтобы объяснить время столкновений электронов в странных металлах, Чоудхури пытается написать простейшую квантовую теорию поля, которая бы описывала свойства взаимодействующих частиц. «Я пытаюсь построить минимальную математическую модель того, что могут делать электроны», — говорит он. «Я пытаюсь придумать интересные способы решения головоломки, используя методы и идеи, вдохновленные разработками в различных областях физики, иногда включая даже квантовую информацию и черные дыры».

В отдельной, но связанной области группа Чоудхури сотрудничает с физиками-экспериментаторами для изучения физики муаровых материалов, нового класса материалов, открытого в 2018 году Пабло Харилло-Эрреро и его сотрудниками из Массачусетского технологического института. Члены лаборатории Харильо-Эрреро поместили два листа графена, каждый из которых состоит из одного атомного слоя атомов углерода, друг на друга. Затем исследовательская группа скрутила один лист на 1,1 градуса относительно другого. В полученной системе, названной муаровым материалом, поскольку два слегка смещенных листа создают муаровый узор, возникли новые и неожиданные явления, включая сверхпроводимость.

«Существует множество других двумерных материалов, в которых можно играть в ту же игру», — говорит Чоудхури. «Удивительная особенность муаровых материалов заключается в том, что два листа не обязательно должны быть изготовлены из одного и того же материала. Складывая и скручивая множество разных листов, вы получаете возможность извне контролировать кинетическую энергию электронов — насколько быстро они эффективно перемещаются в системе — в отличие от того, насколько сильно они взаимодействуют друг с другом. Например, поворот графена на одну точку и один градус — это золотая середина, где электроны почти останавливаются из-за тонких квантово-механических эффектов».

В общем, сверхпроводимость возникает, когда два электрона собираются вместе, образуют так называемую куперовскую пару, а затем начинают двигаться с конечной кинетической энергией. «Итак, если электроны в двух листах графена с поворотом на 1,1 градуса почти не имеют кинетической энергии, как могут пары электронов двигаться?» — спрашивает Чоудхури. «Ответ кроется в топологических свойствах (свойствах, сохраняющихся при деформации, скручивании и растяжении объектов), которые связаны с квантовомеханической волновой функцией электрона в сочетании с сильным электрон-электронным взаимодействием. Это сочетание топологических свойств и сильно запутанных электронов. открывает принципиально новый путь к созданию высокотемпературных сверхпроводников».

Когда он не думает о существующих и продолжающихся экспериментах, Чоудхури любит представлять интересные квантовые эффекты, которые теоретически возможны, даже если они лежат за пределами существующих измерений. «Я раздвигаю границы своего воображения, задавая вопрос: «Если мы не нарушим никаких фундаментальных законов природы и сосредоточимся на неизведанном мире запутанных электронов, что еще может произойти?» И как мы сможем обнаружить что-то подобное?» — говорит он. «Квантовый мир увлекателен, и мы так мало в нем понимаем, что мне хочется сделать фундаментальные, концептуальные открытия в теории взаимодействующих электронов», — продолжает он. «Существует бесконечный список совершенно новых явлений, о которых никто никогда не думал и которые ждут своего открытия».

Источник